Odpowiedzi

2009-12-21T17:16:41+01:00
Jeśli siły oddziaływania między cząsteczkami cieczy i ścianek są większe od sił między cząsteczkami cieczy, powierzchnia cieczy w pobliżu ścianek zakrzywia się w górę, czyli ciecz tworzy menisk wklęsły i zwilża ścianki naczynia (np. woda lub olej w naczyniu ze szkła).

Jeśli siły między cząsteczkami cieczy i ścianek są małe, powierzchnia cieczy w pobliżu ścianek zakrzywia się w dół wtedy ciecz tworzy menisk wypukły i nie zwilża ścianek naczynia (np. rtęć w termometrze).
8 4 8
2009-12-21T17:18:14+01:00
Atomy mogą wiązać się w cząsteczki. Cząsteczki, nawet te pozbawione ładunku elektrycznego, oddziałują między sobą. Tylko dzięki tym oddziaływaniom możliwe jest istnienie cieczy i większości ciał stałych. Prawie wszystkie własności materii określone są przez charakter tych oddziaływań.

Wiadomo, że siły przyciągające nie mogą zapewnić powstawania stabilnych ograniczonych układów cząsteczek (cały Wszechświat zapadłby się do jednego punktu). Na bardzo małych odległościach muszą działać między nimi siły odpychające.

Wychodząc z tych jakościowych informacji holenderski fizyk, van der Waals, który jako pierwszy zwrócił uwagę na istotną rolę oddziaływań międzycząsteczkowych w gazach, znalazł równanie stanu gazu rzeczywistego. Równanie to obejmuje w przybliżeniu nie tylko własności gazów, lecz także proces ich skraplania. Siły międzycząsteczkowe nazywane są często siłami van der Waalsa. Szczegółową teorię oddziaływań van der Waalsa podali Wang i London w końcu lat dwudziestych naszego wieku. Według niej teoria oddziaływania dwóch molekuł jest sumą energii oddziaływania elektrostatycznego, Eelst, oddziaływania indukcyjnego, Eind. Całkowitą pracę potrzebną do rozbicia ciała stałego na izolowane cząsteczki w przeliczeniu na jedną molekułę nazywamy energią kohezji (spójności).

ODDZIAŁYWANIA

Napięcie powierzchniowe związane jest z oddziaływaniami międzycząsteczkowymi zwanymi siłami Van der Waalsa. Siły te działają pomiędzy elektrycznie obojętnymi atomami lub cząsteczkami gazów i cieczy. Natura tych sił jest elektromagnetyczna: gdy jest dostatecznie małe zbliżenie dwóch obojętnych cząsteczek, rozkłady ładunków elektrycznych w tych cząsteczkach ulegają deformacji (polaryzacji) i występuje pomiędzy nimi przyciąganie elektryczne; gdy jest jeszcze większe zbliżenie, zaczyna dominować wzajemne odpychanie elektryczne jąder atomów, z których składają się cząsteczki. Istnieje więc takie położenie równowagi, w którym siły te równoważą się, a energia ich oddziaływań osiąga minimum.







Siły Van der Waalsa działające między dwoma cząsteczkami można więc podzielić następująco:

1. Elektrostatyczne (kulombowskie), działające pomiędzy elektronami i jądrami atomów tych cząsteczek, szczególnie zaś są to oddziaływania:

a) dipolowe, jeżeli cząsteczki, dzięki swojej budowie, tworzą trwałe dipole elektryczne (siła tych oddziaływań zależy od wzajemnej orientacji dipoli; może też występować efekt indukcyjny, polegający na wyindukowaniu momentu dipolowego przez sąsiednią cząsteczkę polarną)

b) dyspersyjne, jeżeli cząsteczki nie są jonami i nie mają trwałych dipoli (efekt ten polega na powstawaniu chwilowych momentów dipolowych w wyniku fluktuacji w gęstości chmur elektronowych; fluktuacje spowodowane są ruchami elektronów i jąder w cząsteczce; gdy fluktuacje w cząsteczce są zgodne, występuje rezonans, i wtedy występują siły przyciągające cząsteczki do siebie).

2. Magnetyczne, spowodowane konfiguracją budowy atomów i cząsteczek oraz ruchem ich składników ładunkowych. Oddziaływania Van der Waalsa można zapisać ogólnie jako siłę F=-A/rm+B/rn składającą się z siły przyciągającej F1=-A/rm oraz siły odpychającej F2=B/rn, gdzie r jest odległością między dwoma cząsteczkami. W odległości ro występuje stan równowagi, w którym energia potencjalna osiąga minimum, a siła F=0. Na odległościach mniejszych od ro występują siły odpychania, zaś na odległościach większych od ro - siły przyciągania. Siły te zanikają w odległości r1»1 nm, która opisuje tzw. sferę oddziaływania międzycząsteczkowego. W zależnościach powyższych zawsze m<n i przeważnie m»7, zaś n»13. A i B są pewnymi stałymi.

Między cząsteczkami cieczy występują siły wzajemnego oddziaływania. Siły te działają wokół każdej cząsteczki w pewnym obszarze, zwanym sferą działania. Średnie odległości w cieczach są znacznie mniejsze niż w gazach i dlatego siły oddziaływania międzycząsteczkowego są w cieczach znacznie większe. Na cząsteczkę znajdującą się w wewnątrz cieczy działają siły przyciągania pochodzące od otaczających ją cząsteczek. Ze względu na symetrię siły te kompensują się tak, że ich wypadkowa równa się zeru. Rozkład sił przy powierzchni cieczy jest inny. Siły przyciągania pochodzące od cząsteczek cieczy tworzą wypadkową, która jest skierowana do wewnątrz cieczy i nie może być zrównoważona przez siły pochodzące od cząsteczek gazu nad powierzchnią cieczy. Na skutek takiego działania siły wypadkowej powierzchnia cieczy kurczy się i gdy na ciecz nie działają żadne siły zewnętrzne przyjmuje kształt kuli, która ma najkorzystniejszy stosunek powierzchni do objętości. Przeniesienia cząsteczek z wnętrza cieczy ku jej powierzchni związane jest z wykonaniem pracy przeciw wypadkowej sił międzycząsteczkowych. Napięciem powierzchniowym s danej cieczy na granicy z inną fazą nazywamy pracę potrzebną do izotermicznego zwiększenia powierzchni cieczy o jednostkę, a także siłę styczną do powierzchni cieczy działającą na jednostkę długości obrzeża powierzchni cieczy. W układzie SI wymiarem napięcia powierzchniowego s jest J/m lub N/m.

Na granicy cieczy oraz gazu i ciała stałego obserwuje się zakrzywienie powierzchni cieczy, zwane meniskiem. Menisk jest wynikiem rozkładu sił, które działają na cząsteczki cieczy w znajdujące się w pobliżu granic trzech faz: cieczy, gazu i ciała stałego. Jeżeli ciecz zwilża ścianki naczynia (cząsteczki cieczy znajdujące się w pobliżu powierzchni są w większym stopniu przyciągane przez cząsteczki ciała stałego niż przez cząsteczki cieczy znajdujące się wewnątrz) obserwujemy menisk wklęsły, jeżeli jest odwrotnie, obserwujemy menisk wypukły.







Kąt pomiędzy ścianką naczynia a powierzchnią cieczy na styku z ciałem stałym oznaczmy przez g. Jeżeli napięcie powierzchniowe na powierzchni granicznej ciecz-gaz oznaczymy przez s12, na powierzchni granicznej ciecz-ciało stałe s13 oraz na powierzchni granicznej gaz-ciało stałe przez s23, możemy ustalić związek między tymi wielkościami, który przedstawia się następująco:

cos g = (s23-s13)/s12

Jeżeli napięcie s23>s13, to g <P/2 i menisk jest wklęsły, jeżeli jest odwrotnie, to obserwujemy menisk wypukły i nie ma zwilżania ścianek naczynia przez cząsteczki cieczy. Dzięki istnieniu napięcia powierzchniowego pod zakrzywiona powierzchnią cieczy działa dodatkowe ciśnienie. Według Laplace'a to dodatkowe ciśnienie określa wzór o postaci:

Dp=s(1/R1 + 1/R2)



przy czym R1 i R2 są promieniami krzywizn prostopadłych względem siebie przekrojów normalnych, dla których promienie krzywizny przyjmują wartości ekstremalne. Promienie R uważamy za dodatnie, jeżeli środki krzywizn przekrojów normalnych znajdują się po stronie cieczy, za ujemne zaś, gdy są po stronie przeciwnej. W związku z tym Dp<0 dla menisku wklęsłego, a dla menisku wypukłego Dp>0. Dodatkowe ciśnienie jest zawsze skierowane w kierunku środka krzywizny menisku. Gdy R1=R2=R (wycinek powierzchni kuli), wtedy Dp=2s/R. Takie jest dodatkowe ciśnienie wewnątrz pęcherzyka gazu, gdy znajduje się on tuż pod powierzchnią cieczy.

24 3 24